Маргарита Рютова-Кемоклидзе - Квантовый возраст

Итак, на исходе 1924 г. Паули объяснил аномальный эффект Зеемана, сформулировав не имеющий никаких аналогов в классической физике и казавшийся абсолютно загадочным принцип, так называемый «принцип запрета». В силу этого принципа в атоме не может существовать двух и более электронов в одном и том же энергетическом состоянии. В существующей к этому времени теории энергетическое состояние электрона описывалось тремя «квантовыми числами», соответствующими трем физическим характеристикам электрона: энергии, орбитальному моменту и проекции момента на направление магнитного поля. Все три величины квантовались. Паули к этим трем квантовым числам добавляет загадочное четвертое число, описывающее «своеобразную, классически не описываемую двузначность квантово-механических свойств излучающего электрона» [13, с. 373]. «Излучающий», или оптический электрон, — это последний электрон на внешней оболочке атома. У одновалентных веществ (водород и щелочные металлы) на внешней оболочке один-единственный электрон. Для всех остальных элементов именно количество этих внешних, оптических электронов или их недостающее число и определяет валентность вещества (так они и расположены по столбцам таблицы Менделеева).

Так вот, к этому времени физики пришли к однозначному выводу, что, скажем, для одновалентных металлов угловой момент «атомного остатка», т. е. ядра и нейтральной оболочки без внешнего электрона, равен ½. А Паули, никаким образом не принимая этот факт во внимание и выражаясь столь туманно о «своеобразной, классически не описываемой двузначности» электрона, делает еще один очень важный вывод о том, что угловой момент атомного остатка обусловлен только внешними электронами. Казалось, этого было достаточно, чтобы сделать следующий, абсолютно очевидный вывод о том, что электрон обладает собственным моментом, равным ½. Тогда, во-первых, становится понятным половинчатый момент атомного остатка, во-вторых, оправдывается наличие четвертого квантового числа, соответствующего этому самому собственному моменту электрона, и, наконец, становится понятным «принцип запрета». Последнее, пожалуй, следует пояснить.

Дело в том, что в модели Бора в атоме на одной оболочке могут находиться два и больше электронов с одинаковыми квантовыми числами, а как же тогда срабатывает принцип Паули, необходимый и введенный для объяснения аномального эффекта Зеемана? И тут очевидно, что достаточно приписать электрону собственный момент и соответствующее ему четвертое квантовое число, и тогда два электрона вполне могут позволить себе иметь все квантовые числа одинаковыми, кроме последнего: собственные моменты ½ должны быть направлены в противоположные стороны. Этот самый собственный момент электрона ½, который называется спином, отражая тот факт, что электрон вертится вокруг собственной оси, действительно есть у электрона, и ни одно явление в микромире невозможно описать без него. Но ввел понятие спина не Паули. В связи с этим в любом воспоминании о Паули можно найти недоумение: так близок был Паули к спину и так его просмотрел! Но Паули не просто просмотрел спин.

Драматическая история со спином не кончается на том, что Паули его просмотрел. Свои соображения по поводу принципа запрета, фактически содержание будущей статьи, Паули изложил в письме известному спектроскописту Ланде. В то самое время, когда Ланде получил письмо от Паули, к нему приехал совсем молодой человек из Америки Ральф де Крониг, который вспоминает: «7 января 1925 г., когда мне было 20 лет от роду и был я еще очень неопытен, прибыл я в маленький живописный немецкий университетский город Тюбинген и остановился в отеле „У золотого быка“. Я прибыл в качестве сотрудника Колумбийского университета для свидания с Ланде и Герлахом, которые возглавляли соответственно кафедры теоретической и экспериментальной физики. В Институте физики меня любезно принял Ланде, заметив, что я прибыл очень кстати, так как на следующий день должен приехать Паули. В самом деле, Паули написал ему длинное и очень интересное письмо, которое Ланде дал мне прочитать… В моих глазах Паули означал так много, что, ожидая встречи с ним, я жадно вчитывался в письмо, которое Ланде показал мне. В этом письме фактически содержалось изложение принципа запрета в ясном и критическом стиле, столь характерном для его автора… Письмо Паули произвело на меня огромное впечатление, и, естественно, мне захотелось осмыслить тот факт, что каждый отдельный электрон в атоме должен описываться квантовыми числами, известными из спектров атомов щелочных металлов, в частности открытыми там двумя моментами количества движения l и s = ½. Очевидно, теперь уже нельзя было приписывать s остову, и мне сразу пришла мысль, что s можно рассматривать как собственный момент количества движения электрона. На языке моделей, который до создания квантовой механики был единственной основой для обсуждения, этот собственный момент электрона можно наглядно изобразить только как вращение электрона вокруг своей оси. Правда, такое представление сопряжено с рядом трудностей. Однако эта идея была заманчивой, и к вечеру того же дня под влиянием прочитанного письма я получил формулу для так называемых релятивистских дублетов» [14, с. 15].

На следующий день приехал Паули и состоялась дискуссия. Крониг получил полную отповедь. В своей обычной резкой форме Паули объявил Кронигу, что его идея о спине электрона чистый вздор, что математическая точка не может вокруг себя вертеться, она должна чем-то быть. Вскоре Крониг поехал в Копенгаген и рассказал о своей идее Бору и Гейзенбергу. Копенгагенская школа тоже решительно отвергла идею о вращающемся электроне. Мнение прославленных физиков сыграло свою роль, и Крониг не опубликовал свою работу. Осенью того же 1925 г. молодые сотрудники Эренфеста Уленбек (1900 г. рождения) и Гаудсмит (1902 г. рождения) независимо от Кронига пришли к идее вращающегося электрона. Они и назвали собственный момент электрона спином. Уленбек писал: «Гаудсмит и я пришли к этой идее, изучая статью Паули, в которой был сформулирован знаменитый принцип запрета и электрону впервые приписывались четыре квантовых числа… Это казалось столь необоснованным и дерзким, что где-то, несомненно, должна была таиться ошибка, да и Бор, Гейзенберг и Паули, наши большие авторитеты, никогда не предполагали ничего подобного. Но мы, конечно, рассказали обо всем Эренфесту… Мы с Гаудсмитом чувствовали, что, быть может, пока лучше воздержаться от каких-либо публикаций, но, когда мы сказали о своем намерении Эренфесту, он ответил: „Я уже давно отправил ваше письмо в печать, вы оба достаточно молоды, чтобы позволить себе сделать глупость“» [Там же, с. 246].